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第1章 绪论 1

1.1 仪器仪表及智能仪器概述 1

1.1.1 仪器仪表概述 1

1.1.2 从传统仪器到智能仪器 3

1.1.3 智能仪器的组成 3

1.1.4 智能仪器的主要特点和发展趋势 5

1.2 本课程的主要内容和学习方法 7

习题 8

第2章 智能仪器总体设计 9

2.1 智能仪器总体设计概述 9

2.1.1 智能仪器设计过程的划分 9

2.1.2 总体设计及其内容 10

2.2 设计任务的来源和分析 11

2.2.1 设计任务的来源 11

2.2.2 设计任务分析 12

2.3 功能规划和指标确定 14

2.4 设计原则与原理 18

2.4.1 阿贝原则及其扩展 19

2.4.2 平均读数与误差分离原理 21

2.4.3 比较测量原理 22

2.4.4 补偿原理 24

2.4.5 标准量及其细分原理 26

2.4.6 其它设计原则 27

2.5 布局与结构设计 29

2.6 数据采集系统设计 30

2.7 智能仪器通信设计 30

2.8 人机接口设计 31

2.9 电源及功耗设计 32

2.9.1 智能仪器的电源设计 32

2.9.2 智能仪器低功耗设计 33

2.10 总体设计的验证和评审 33

2.10.1 总体设计的验证 33

2.10.2 总体设计的评审 34

习题 34

第3章 信号测取和放大 35

3.1 信号调理概述 35

3.2 传感器 35

3.2.1 传感器的类型 35

3.2.2 传感器的选择 38

3.3 信号放大器 40

3.3.1 前置放大器 40

3.3.2 信号放大器常见的形式 41

3.3.3 常用的放大器及其应用 44

习题 53

第4章 信号转换技术 54

4.1 A/D转换器的技术指标 54

4.2 比较型A/D转换器 56

4.2.1 ADC0809的工作原理及应用 56

4.2.2 AD574A的工作原理及应用 57

4.3 双积分型A/D转换器 61

4.3.1 双积分型A/D转换器的特点 61

4.3.2 5G14433的工作原理及应用 61

4.3.3 ICL7135的工作原理及应用 64

4.4 U/F型A/D转换器 66

4.4.1 U/F型A/D转换器的特点 66

4.4.2 LM331的工作原理及应用 66

4.5 ∑-△型A/D转换器 68

4.5.1 ∑-△型A/D转换器的工作原理 68

4.5.2 AD7703的工作原理及应用 68

4.5.3 CS5360的工作原理及应用 73

4.6 A/D转换器的选用 77

4.7 信号输出与D/A转换器 79

4.7.1 输出通道的信号种类 79

4.7.2 D/A转换器的性能指标与选择要点 80

4.7.3 常用的D/A转换器 81

习题 86

第5章 数据采集系统设计 87

5.1 数据采集系统的组成 87

5.2 数据采集系统的结构 87

5.2.1 集中采集式 88

5.2.2 分散采集式 88

5.3 数据采集系统的误差分析 90

5.3.1 采样误差 90

5.3.2 模拟电路的误差 91

5.3.3 A/D转换器的误差 92

5.3.4 数据采集系统误差的计算 93

5.3.5 数据采集系统的误差分配实例 93

习题 97

第6章 可编程器件 98

6.1 微处理器 98

6.2 单片机 100

6.2.1 单片机的特点和选择 100

6.2.2 MCS-51系列单片机 101

6.2.3 PIC系列单片机 104

6.2.4 68系列单片机 105

6.2.5 MCS-296系列单片机 106

6.2.6 MSP-430系列单片机 107

6.2.7 ARM单片机 109

6.3 DSP的结构及应用 112

6.3.1 DSP的主要结构 113

6.3.2 DSP的选择和应用 113

6.4 多微处理器系统 115

6.4.1 多微处理器系统概述 115

6.4.2 多单片机系统的结构 115

6.5 可编程逻辑器件 120

6.5.1 可编程逻辑器件概述 120

6.5.2 CPLD简介 122

6.5.3 FPGA简介 125

习题 127

第7章 智能仪器的软件设计 128

7.1 软件设计概述 128

7.2 软件开发环境与编程语言 128

7.2.1 软件开发环境 128

7.2.2 编程语言 129

7.3 结构化程序设计和软件系统结构分析 130

7.3.1 层次结构 130

7.3.2 功能结构 130

7.3.3 进程结构 131

7.4 软件系统的规划和设计步骤 132

7.4.1 软件系统的规划 132

7.4.2 软件系统的设计步骤 135

7.5 数据处理算法 137

7.5.1 数据处理算法概述 137

7.5.2 常用的数据处理算法 138

7.6 软件设计实例 145

7.6.1 系统功能 145

7.6.2 硬件电路 145

7.6.3 软件系统规划 146

7.6.4 软件系统框架 147

习题 148

第8章 人机界面设计 149

8.1 人机界面 149

8.1.1 人机界面设计概述 149

8.1.2 可用性设计 149

8.2 人机界面的设计原则 150

8.3 人因工程学及其应用 153

8.3.1 人因工程学 153

8.3.2 视觉 154

8.3.3 听觉 155

8.3.4 触觉 156

8.3.5 多感觉 156

8.3.6 人体尺寸及肢体的能力 157

8.3.7 人体对环境的要求 157

8.4 人机界面硬件设计 158

8.4.1 面板的构成与布置 158

8.4.2 键盘及其分类 159

8.4.3 显示器 160

8.4.4 显示设计 161

8.4.5 微型打印机 164

8.5 人机界面的软件设计 166

8.5.1 人机界面软件设计概述 166

8.5.2 直接编程法 166

8.5.3 状态变量法 171

8.5.4 图形用户界面法 178

8.6 人机界面设计的评价 181

习题 181

第9章 智能仪器中的总线技术 182

9.1 数据通信 182

9.1.1 数据通信的基本概念 182

9.1.2 接口总线 183

9.2 串行标准总线 185

9.2.1 RS-232C串行接口标准总线 185

9.2.2 RS-422、RS-423、RS-485接口标准总线 187

9.2.3 USB接口总线 189

9.3 并行标准总线 192

9.3.1 GPIB并行接口总线 192

9.3.2 VXI总线 196

9.3.3 CompactPCI和PXI总线 204

9.4 现场总线 210

9.4.1 现场总线概述 210

9.4.2 现场总线通信技术 211

9.5 智能仪器上网与TCP/IP协议 212

9.5.1 TCP/IP协议概述 212

9.5.2 协议与标准 212

9.5.3 以太网接口模块 214

习题 215

第10章 智能仪器结构设计 216

10.1 智能仪器结构设计概述 216

10.2 智能仪器结构设计常用材料 218

10.2.1 金属材料 218

10.2.2 非金属材料 218

10.3 造型设计 219

10.4 常见机箱类型及机箱结构方案选择 220

10.4.1 常见机箱类型 220

10.4.2 机箱结构方案选择 223

10.5 智能仪器热设计 227

10.5.1 智能仪器的热环境 227

10.5.2 智能仪器热控制的目的 227

10.5.3 热控制的基本要求 228

10.5.4 热控制系统设计的基本原则 228

10.5.5 热控制的方法 229

10.6 振动与冲击的隔离 233

10.7 电磁兼容性结构设计 233

10.8 结构的其它设计 234

习题 236

第11章 电磁兼容技术 237

11.1 电磁兼容技术概述 237

11.2 硬件抗干扰技术 242

11.2.1 屏蔽技术与传输技术 242

11.2.2 接地技术 247

11.2.3 隔离技术 249

11.2.4 布线与配线 250

11.2.5 滤波器 253

11.2.6 灭弧技术 254

11.2.7 电源干扰的抑制 255

11.3 软件干扰抑制技术 258

11.3.1 软件抗干扰的前提条件 258

11.3.2 数据采集误差的软件对策 258

11.3.3 控制状态失常的软件对策 259

11.3.4 程序运行失常的软件对策 260

习题 260

第12章 智能仪器可测性设计 261

12.1 故障诊断 261

12.1.1 故障模型 261

12.1.2 故障测试 261

12.1.3 模拟电路故障检测 262

12.1.4 数字电路故障检测 265

12.1.5 自检安排 270

12.2 智能仪器的调试 271

12.2.1 可测性设计 271

12.2.2 智能仪器调试过程 271

12.2.3 模拟电路的调试 273

12.2.4 数字电路的调试 273

12.2.5 软件程序的调试 274

12.2.6 开发系统 275

12.2.7 JTAG调试 277

12.2.8 远程更新软件 279

12.3 智能仪器的标定 280

12.3.1 智能仪器标定概述 280

12.3.2 测控系统的静态标定 280

12.3.3 测控系统的动态标定 281

12.3.4 力测量装置的标定 281

12.3.5 温度测量装置的标定 281

12.4 智能仪器设计文件 282

习题 282

参考文献 284